基于功能部件的指揮控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

朱 偉，許春雷，孔 軍

(中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

指揮控制系統(tǒng)作為作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，是作戰(zhàn)信息處理中心和指揮員實(shí)施指揮的直接部位，通常要同時(shí)完成情報(bào)綜合處理、作戰(zhàn)輔助決策、武器綜合控制等多個(gè)獨(dú)立功能[1]。傳統(tǒng)的指控系統(tǒng)應(yīng)用軟件按照面向過程的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件體系結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、模塊之間耦合性較強(qiáng)，系統(tǒng)的可移植性、可擴(kuò)展性較差，且難以進(jìn)行多任務(wù)應(yīng)用軟件的并行開發(fā)和調(diào)試[2]。

研究基于功能模塊部件的設(shè)計(jì)方法，對實(shí)現(xiàn)指揮控制系統(tǒng)中各獨(dú)立功能模塊的通用化和并行設(shè)計(jì)，提高功能部件的復(fù)用性和系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可移植性，均具有重要的意義。

1 功能部件

部件是包含在體系結(jié)構(gòu)中實(shí)際對象構(gòu)件化的結(jié)果,部件的處理完全放在自身功能的實(shí)現(xiàn)上，可有效避免多個(gè)對象間互操作引起的整個(gè)軟件系統(tǒng)復(fù)雜度的增加[3]。功能部件是指揮控制系統(tǒng)中具有特定和獨(dú)立功能的軟件模塊,如傳感器信息處理部件、信息綜合處理部件、魚雷發(fā)控部件、導(dǎo)彈發(fā)控部件等，其實(shí)現(xiàn)主體為消息處理進(jìn)程。功能部件由消息進(jìn)行驅(qū)動，可自主實(shí)現(xiàn)通信信息處理、定時(shí)信息處理、人機(jī)交互處理功能，具備高內(nèi)聚、低耦合的構(gòu)件化典型特征。

圖1 功能部件消息處理進(jìn)程示意圖

1）組成

功能部件由消息處理進(jìn)程、通信信息處理模塊、定時(shí)信息處理模塊（如周期情報(bào)綜合處理模塊）、人機(jī)交互命令處理模塊和部件局部數(shù)據(jù)空間構(gòu)成。消息處理進(jìn)程響應(yīng)通信、定時(shí)和人機(jī)交互消息，調(diào)用相關(guān)功能模塊完成相應(yīng)功能。另外，功能部件還可按照需要在進(jìn)程初始化時(shí)定義自己的局部數(shù)據(jù)空間。

2）功能

功能部件作為完整、獨(dú)立的功能單元，可完成通信報(bào)文解釋、信息處理、顯示和人機(jī)交互命令處理等功能。

3）工作方式

功能部件采用消息驅(qū)動的工作方式，即功能部件的消息處理進(jìn)程無限地等待、接收和處理三類消息：定時(shí)消息、網(wǎng)絡(luò)接收消息和人工命令消息，維持本功能部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。功能部件運(yùn)行示意如圖1所示。

以魚雷發(fā)控部件為例，消息處理進(jìn)程設(shè)計(jì)如下：

4）特點(diǎn)

● 低耦合、高內(nèi)聚

功能部件是一個(gè)獨(dú)立的功能單元，在功能部件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)該功能部件的通信信息處理、定時(shí)信息處理和人機(jī)交互等功能；功能部件之間沒有交互聯(lián)系，僅通過消息隊(duì)列與通信信息預(yù)處理、定時(shí)處理和人機(jī)交互信息預(yù)處理三個(gè)基本模塊聯(lián)系，具有低耦合、高內(nèi)聚的典型特征。

● 易于實(shí)現(xiàn)并行開發(fā)、調(diào)試

功能部件之間不存在耦合關(guān)系，各獨(dú)立功能部件可基于基本框架（通信信息預(yù)處理、定時(shí)處理和人機(jī)交互信息預(yù)處理三個(gè)基本模塊）并行開發(fā)、調(diào)試。功能部件開發(fā)完畢后，可生成目標(biāo)代碼，系統(tǒng)生成時(shí)和其他部件目標(biāo)代碼一起鏈接生成系統(tǒng)可執(zhí)行代碼。

另外，為滿足系統(tǒng)不同功能的實(shí)時(shí)性要求，可在系統(tǒng)建立其對應(yīng)功能部件的消息處理進(jìn)程時(shí)調(diào)整其優(yōu)先級實(shí)現(xiàn)；為防止優(yōu)先級較高的功能部件運(yùn)行時(shí)間過長影響其他功能部件的實(shí)時(shí)性，可在功能部件進(jìn)程初始化時(shí)進(jìn)一步把處理器資源占用時(shí)間比較長的模塊設(shè)置為優(yōu)先級相對低些的子進(jìn)程，功能部件以啟動子進(jìn)程方式調(diào)用消息處理過程；為避免功能部件消息過多造成消息隊(duì)列阻塞，可在建立系統(tǒng)消息隊(duì)列時(shí)適當(dāng)增加消息緩沖區(qū)數(shù)目。

2 基于功能部件的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于功能部件的指揮控制系統(tǒng)軟件采用層次化體系結(jié)構(gòu)，除各獨(dú)立的功能部件外，還包括通信預(yù)處理、人機(jī)交互預(yù)處理和定時(shí)處理三個(gè)基本模塊。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件最底層為平臺層，完成和硬件基本交互功能；基本模塊位于功能部件和平臺之間，接收和預(yù)處理通信、人機(jī)交互輸入和定時(shí)信息，并通過向功能部件發(fā)送格式化的消息驅(qū)動其運(yùn)行；功能部件層為可配置的功能部件，是完成系統(tǒng)相應(yīng)功能的主體。當(dāng)系統(tǒng)配置或應(yīng)用需求發(fā)生變化時(shí)，只需根據(jù)需求對不同的層次進(jìn)行重寫和替換，不會影響其他層。如對外通信介質(zhì)變化時(shí)，只需要修改相應(yīng)通信模塊的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)即可，對功能部件來說，完全感覺不到通信介質(zhì)的變化，有利于快速實(shí)現(xiàn)指揮控制系統(tǒng)配置的升級和功能部件的改進(jìn)。

通過對指揮控制系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，可抽象、規(guī)范化基本模塊和各功能部件之間的消息接口，通用、穩(wěn)定的接口可提高功能部件的獨(dú)立性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，新增新的功能需求時(shí)，只需按照規(guī)范化的消息接口開發(fā)新的功能部件并添加到系統(tǒng)中即可，不會對其他功能部件帶來影響。

采用層次化體系結(jié)構(gòu)和規(guī)范化的信息接口，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可剪裁性和可移植性。系統(tǒng)可根據(jù)需要對功能部件靈活配置，并設(shè)定功能部件的優(yōu)先級；另外，系統(tǒng)可針對項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的需要，只需對相應(yīng)部分進(jìn)行修改，即可實(shí)現(xiàn)在新平臺上應(yīng)用，而不需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)嵌入式軟件系統(tǒng)。

從圖2上可以看出，功能部件之間沒有交互關(guān)系，功能部件只和通信信息預(yù)處理、人機(jī)交互預(yù)處理和定時(shí)處理模塊具有信息交互關(guān)系，軟件體系結(jié)構(gòu)較為清晰；通信信息預(yù)處理、人機(jī)交互預(yù)處理和定時(shí)處理模塊和功能部件之間通過消息進(jìn)行交互，系統(tǒng)各模塊之間耦合較為松散，系統(tǒng)中一個(gè)功能部件異常不會影響其他功能部件的運(yùn)行，具有較強(qiáng)的健壯性；功能部件和通信信息預(yù)處理、人機(jī)交互預(yù)處理和定時(shí)處理模塊之間相對規(guī)范、固定的消息格式，使得只要稍微增減基本模塊和功能部件之間的消息，便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和剪裁；功能部件和系統(tǒng)硬件并不直接交互，系統(tǒng)軟硬平臺變化后，只需替換相關(guān)驅(qū)動程序便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同平臺上的移植。

功能部件的可剪裁性、擴(kuò)展性，以及系統(tǒng)較好的移植性，使得新的系統(tǒng)研制時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)使命任務(wù)，通過重構(gòu)其他成熟系統(tǒng)的功能部件，快速生成面向不同任務(wù)的指揮控制系統(tǒng)，從而顯著縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。

圖2 基于功能部件的指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

3 基于功能部件的軟件開發(fā)流程

基于功能部件的軟件開發(fā)步驟主要包括功能部件劃分、部件接口需求分析、接口消息設(shè)計(jì)、基本模塊設(shè)計(jì)開發(fā)、功能部件設(shè)計(jì)開發(fā)和系統(tǒng)集成、測試等幾部分，其中基本模塊設(shè)計(jì)開發(fā)和各功能部件的設(shè)計(jì)開發(fā)可在接口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上并行開展，以縮短開發(fā)周期、提高開發(fā)效率。具體開發(fā)流程如圖3所示。

1）功能部件劃分

按照對外接口相近、功能相關(guān)、界面相似的原則，統(tǒng)籌考慮功能任務(wù)中通信、人機(jī)交互和周期信息處理要求，兼顧考慮功能部件的獨(dú)立性和穩(wěn)定性，合理劃分確定系統(tǒng)功能部件，通信、人機(jī)交互和周期信息處理相近的模塊可以合并設(shè)計(jì)為一個(gè)部件，如魚雷發(fā)控和水雷發(fā)控可以作為一個(gè)魚水雷發(fā)控部件來設(shè)計(jì)。

2）部件接口需求分析

根據(jù)各功能部件信息輸入需求，分析部件信息通信的內(nèi)容、格式、精度等；按照人機(jī)交互輸入需求，確定人機(jī)輸入命令內(nèi)容；根據(jù)系統(tǒng)信息處理頻率，確定定時(shí)處理周期。

3）接口消息設(shè)計(jì)

根據(jù)部件接口需求分析結(jié)果，確定接口消息的類別、長度、周期、屬性和詳細(xì)格式，作為功能部件設(shè)計(jì)和基本模塊設(shè)計(jì)的依據(jù)。

4）基本模塊和功能部件設(shè)計(jì)

根據(jù)接口消息，并行開展基本模塊和各功能部件的設(shè)計(jì)、開發(fā)。

5）系統(tǒng)集成和測試

基本模塊和部件設(shè)計(jì)完成后，集成測試接口設(shè)計(jì)的正確性和系統(tǒng)的功能、性能的符合性。

圖3 基于功能部件的指揮控制系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)下指揮控制系統(tǒng)軟件按面向過程的技術(shù)和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在著系統(tǒng)各功能模塊間耦合緊密，系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，升級、維護(hù)和移植困難等問題。本文在功能模塊的部件化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了基于功能部件的軟件體系結(jié)構(gòu)，提出了基于功能部件的軟件設(shè)計(jì)方法。某艦艇指控系統(tǒng)研制實(shí)踐表明，基于功能部件的指控系統(tǒng)具有重用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)，易于移植和并行設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可大幅提高開發(fā)效率、節(jié)約開發(fā)成本。該設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用于其他領(lǐng)域嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

[1]趙祖銘.潛艇指控系統(tǒng)技術(shù)和發(fā)展分析[J].指揮控制與仿真,2007,29(2):1-4.

[2]江坤,張莉等.面向艦載指控系統(tǒng)開放式框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,6(29):393-401.

[3]陸軍,張育平.基于構(gòu)件的軟件體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2002(4):115-117.

[4]David E.Simon.嵌入式軟件教程[M].陳向群，等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5]Clemens Szyperski,etc.構(gòu)件化軟件-超越面向?qū)ο缶幊蘙M].第2版.王千祥,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[6]Katharine Whitehead.基于組件開發(fā)[M].王海鵬,等譯.北京:人民郵電出版社,2003.

[7]潘錦平,等.軟件系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999.